南海吹填礁砂颗粒咬合嵌固自密实机理与力学效应

In order to implement the maritime power strategy and the strategic concept of “One Zone and One Road” proposed by Chairman Xi, reclamation islands and reef constructions in South China Sea are underway. Generally, terrigenous dredger fill has the characteristics such as low bearing capacity and high compressibility. However, calcareous dredging soils are naturally dense during dredging. The soils can be used as low-rise buildings foundations due to the merits of high compactness, high bearing capacity, low compressibility and fast consolidation. Sedimentary pattern, gradation, range of particle sizes, grain shape, compactness and mechanical properties of calcareous dredging soils will be studied through integrated research methods consisting of field geological investigations, sampling, in situ testing, physical and mechanical experiments, laboratory model tests and theoretical analysis. The compacting effect of hydraulic dredging is simulated by self-designed hydraulic compaction simulation system. Microstructure analysis and mechanical experiments will be carried out aiming to reveal the occlusion mechanism of dredging calcareous soil particles and the effects on soil strength and deformation. Shear strength theory and soil pressure calculation method will be established considering the particle occlusion. Dredging measures optimization and estimation of ground stability will be proposed. This study is theoretically innovative and the results will provide scientific guidance for reclamation constructions, ground treatment and engineering design on coral reefs.

为加快“海洋强国战略”的实施、落实习总书记提出的“一带一路”的战略构想，我国正在南海实施吹填造岛和岛礁工程建设。通常陆源吹填土具有低承载力和高压缩性的特点，而南海吹填珊瑚礁砂地基在水力吹填过程中具有自密实作用，形成陆域后地基密实度高、承载力高、压缩性低、固结稳定快，可直接作为低层建筑物的地基。本项目通过吹填岛礁现场地质调查、取样、原位测试、室内实验、模型试验与理论分析相结合的研究方法，研究南海吹填礁砂的沉积规律、级配、颗粒形状、地基密实度和力学特性；采用自行设计的水力密实模拟试验系统模拟珊瑚礁砂水力吹填密实的成因机制；通过细观结构分析及力学试验，揭示吹填礁砂颗粒咬合嵌固自密实机理，分析咬合力对强度和变形的影响，建立考虑颗粒咬合力的钙质土抗剪强度理论和土压力计算公式；提出吹填优化措施和地基稳定性评价方法。本项目的研究具有理论创新意义，研究结果将为岛礁吹填施工、地基处理和工程设计提供科学指导。

本项目结合我国“海洋强国”战略的大背景，围绕我国南海岛礁建设的重大需求，重点解决现有规范关于岛礁工程中吹填珊瑚礁地基处理、检测及稳定性评价的空白。研究水力吹填礁砂的自密实机理，揭示吹填礁砂地基密实度高、承载力高、压缩性低、固结稳定快的内在机制。通过室内三轴试验、击实试验和力学模型分析，揭示了不同形状礁砂颗粒咬合嵌固产生互锁，从而提高土体的抗剪强度和边坡稳定性，也是地基承载力高的主要原因。通过颗粒形状分析发现，粗颗粒钙质砂中片状和枝状的比例较大，土颗粒之间形成咬合嵌固效应，在剪切过程中咬合的颗粒发生爬坡和剪胀，使抗剪强度提高。研究表明：不规则的颗粒形状是造成钙质土产生咬合力的前提条件；在不同粒径的钙质土中，因不同形状颗粒的含量存在差异，从而咬合力大小也不同；咬合力大小受应力水平影响较为明显，在低围压下咬合作用导致剪胀，提高内摩擦角；在高围压下咬合作用克服颗粒强度做功，造成颗粒破碎，提高c值而有效内摩擦角降低。颗粒之间的咬合嵌固使钙质土地基承载力高于陆源吹填沙土，且地基沉降量小，在工程设计中应充分考虑咬合力的影响。通过现场对吹填地基剖面的调查发现，在水力吹填过程中，水力冲击和渗流使礁砂颗粒充分调整位置，颗粒间紧密排列咬合，这是钙质土地基承载力高和抗剪强度高的主要原因。由于钙质土存在较大的咬合力，土体中存在表观粘聚力，因此，钙质土的抗剪强度公式适用库伦土压力公式，在地基与基础设计、挡土墙设计中，应充分考虑颗粒咬合作用对强度的贡献，以节省工程建设投资。本项目还建立了一套简单、快速、可靠的吹填礁砂地基的检测评价方法，可为今后的岛礁工程地基检测提供科学依据。